KR102018953B1 - 일라이트 점토의 세슘 흡착성능 예측방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일라이트 광상으로부터 채취한 복수의 일라이트 점토 시료들을 분석하여 시료 내 광물성분들의 구성비를 정량화하는 단계; 상기 채취한 시료들의 세슘에 대한 흡착분배계수를 측정하는 단계; 세슘 흡착분배계수에 대한 상기 광물성분들의 양적 기여율을 평가하는 단계; 및 상기 개별 광물성분들의 실제 세슘에 대한 흡착분배계수를 평가하여, 상기 개별 광불성분들이 상기 시료의 흡착분배계수에 실제로 기여하는 실제 기여율을 도출하는 단계로부터, 시료 내 광물성분들의 구성비와 시료의 흡착분배계수와의 상관관계를 도출하고 상기 상관관계에 의하여 상기 일라이트 광상으로부터 채취한 다른 일라이트 점토 시료의 개별 광물성분들의 구성비만을 측정함으로써 상기 다른 일라이트 섬토 시료의 세슘에 대한 흡착 성능을 예측하는, 일라이트 점토 시료의 세슘에 대한 흡착성능 예측방법을 제공한다.

Description

일라이트 점토의 세슘 흡착성능 예측방법{PRIDICTION METHOD OF CESIUM ADSORPTION PERFORMANCE OF ILLITE CLAY}

본 기술은 방사능 흡착 및 제염기술 분야에 속하며, 구체적으로는 방사능 물질을 흡착할 수 있는 일라이트 점토의 성능을 손쉽게 예측함으로써 방사능 흡착 과정에서 사용될 일라이트 점토의 품위를 사전에 감정할 수 있는 기술에 관한 것이다.

최근 후쿠시마 원전 사고 이후에 국내에서도 방사능 유출시 초동대응에 관한 다양한 관심과 연구가 이루어지고 있다. 특히, 방사능 물질이 하천이나 바다 등 수자원에 유입될 경우 위해 요소가 파급적으로 전파되는 것을 고려할 때 수자원으로부터 방사능 물질의 확산을 저지하는 기술 및 제염 기술의 중요성은 매우 크다 할 것이다.

한편, 방사능 원소 중 하나인 세슘의 흡착을 위하여 일라이트가 사용될 수 있는 것으로 알려지고 있는데, 상기 일라이트는 다른 유효 흡착제의 담체로서 기능할수도 있으나 그 자체로서 입자성 흡착제로 사용될 수 있다.

이러한 일라이트는 일라이트 광상에서 채취되어 흡착제로서 제조될 수 있으며 채취되는 시료에 따라서 일라이트의 흡착 성능은 편차를 갖는다. 따라서 실제 사용될 일라이트의 품질을 확인하기 위해서 회분식 분석법 등을 통하여 채취된 일라이트 시료의 세슘 흡착분배계수를 평가하는 과정이 필요할 수 있다. 그러나 회분식 분석법은 정확성의 장점을 갖는 반면 시간이 오래 걸려 긴급성이 요구되는 실제 방사능 유출 사고시에 적용되기 어려운 면이 있다. 또한 다양한 지역에서 채취된 시료에 대해 새료별로 이러한 평가과정이 이루어진다면 일라이트의 실제 활용에 걸림돌이 될 수 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 도출된 발명으로서, 간단한 정량적 평가만으로 채취된 일라이트 시료의 품질을 감정함으로써 방사능 유출 사고 시 신속한 일라이트 흡착제의 활용이 가능하도록 하는 일라이트의 흡착성능 예측 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 일라이트 시료의 세슘 흡착성능 예측방법은 일라이트 광상으로부터 채취한 복수의 일라이트 점토 시료들을 분석하여 시료 내 광물성분들의 구성비를 정량화하는 단계, 상기 채취한 시료들의 세슘에 대한 흡착분배계수를 측정하는 단계, 세슘 흡착분배계수에 대한 상기 광물성분들의 양적 기여율을 평가하는 단계, 상기 개별 광물성분들의 실제 세슘에 대한 흡착분배계수를 평가하여, 상기 개별 광불성분들이 상기 시료의 흡착분배계수에 실제로 기여하는 실제 기여율을 도출하는 단계로부터, 시료 내 광물성분들의 구성비와 시료의 흡착분배계수와의 상관관계를 도출하고 상기 상관관계에 의하여 상기 일라이트 광상으로부터 채취한 다른 일라이트 점토 시료의 개별 광물성분들의 구성비만을 측정함으로써 상기 다른 일라이트 섬토 시료의 세슘에 대한 흡착 성능을 예측하는 방법이다.

상기 시료의 분석은 XRD 분석에 의하여 이루어질 수 있다.

한편, 상기 개별 광물성분들은 5종 이하일 수 있으며 상기 개별 광물성분은 각각 일라이트, 석영, 세리사이트 및 장석일 수 있다.

상기 일라이트와 세리사이트에 대하여는 XRD 분석에 더하여 FWHM 분석을 수행함으로써 서로의 구성비를 정량화할 수 있다.

상기 흡착되는 세슘은 저농도 상태의 세슘을 포함한다.

상기 시료의 세슘에 대한 흡착분배계수는 회분식 흡착실험을 통하여 측정될 수 있다.

본 발명에 따른 예측시스템을 사용하면, 채취된 일라이트 점토 시료의 개별 성분들을 양적인 관점에서 정량화하는 것만으로 해당 일라이트 점토 시료의 세슘 흡착 분배계수, 즉 흡착 성능을 간단히 예측할 수 있다. 이를 통하여 방사능 유출 사고 등의 급박한 상황에서 일라이트 점토 시료의 세슘 흡착 성능을 신속하게 예측하여 수중 방사능 물질의 확산 지역에 즉각적으로 활용될 수 있도록 할 수 있다.

나아가 상기 정량화 방법으로서 XRD 분석 장비 및 예측방법 정보를 포함하는 휴대용 장비 등이 개발된다면, 일라이트 광상 현장에서 바로 일라이트의 품위를 감정할 수 있는 획기적인 방안을 마련할 수 있따.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일라이트의 세슘 흡착성능 예측방법을 개념적으로 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 일라이트 시료내 개별 광물 성분들에 대한 XRD 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 3은 표준물질의 광물 함량과 각 피크의 면적(Area) 값을 그래프로 도시한 결과 얻어진 선형성을 도시한 그래프이다.
도 4는 RIR(Reference Intensity Ratio) 방법을 통한 반정량 값과 정량화를 통해 구한 값의 비교치를 도시한 그래프이다.
도 5는 일라이트-세리사이트 표준 샘플의 일라이트 함량비에 대한 반치폭(FWHM)을 도시한 그래프이다.
도 6 및 7은 개별 광물성분들에 대한 이상치 제거 전 후의 분배계수와 함량의 상관성을 도시한 그래프이다.
도 8은 실험으로 구한 분배계수와 계산을 통해 구한 분배계수의 값을 비교한 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 일라이트의 세슘 흡착성능 예측방법을 자세하게 설명하도록 한다. 그러나 이하의 설명은 본 발명의 기술사상을 설명하기 위한 예시적인 기재일 뿐, 본 발명의 기술사상은 오직 후술하는 청구범위에 의하여 해석될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일라이트의 세슘 흡착성능 예측방법을 개념적으로 설명하기 위한 순서도이다.

도 1을 참조하면, 상기 예측방법(100)을 구축하기 위해서는 우선 일라이트 광상에서 복수의 일라이트 점토 시료를 채취하고 시료 내 광물성분들의 구성비를 정량화 하는 정량화 단계(S110)를 거친다.

정량화 대상 광물의 종류나 숫자는 기술사상을 고려하여 정해질 수 있으며, 너무 많은 희소 광물성분까지 정량화 대상으로 하는 것은 바람직하지 않으며 예측 신뢰도를 유지하는 범위에서 약 5종 이하의 광물성분들을 정량화 대상으로 하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 상기 정량화 대상 광물로서는 필수 성분인 일라이트 외에, 세라이트, 석영, 장석을 포함할 수 있다. 상기 4 종의 개별 광물성분들의 구성비 정량화를 통하여도 일라이트 점토 시료의 세슘 흡착 성능을 신뢰성 있께 예측할 수 있다.

상기 개별 광물성분들의 구성비(함량)의 정량화는 XRD 분석을 통하여 이루어질 수 있다. XRD 분석시 피크 높이에 의한 정량화는 광물의 결정성에 영향을 받아 부정확하므로, 피크의 면적으로 정량화 지표를 삼는 것이 바람직하다. 한편, 일라이트와 세리사이트는 XRD 피크의 위치가 거의 동일하여 구분이 용이하지 않기 때문에 추가적으로 반치폭 분석(FWHM)을 통하여 상호 간 구성비를 구분해야 한다.

본 발명에서는 상기 4종의 개별 광물성분들을 일종의 표준성분들을 확정하여 예측 시스템의 주요 지표성분으로 활용한다. 그러나 광물의 종류나 개수는 일라이트의 활용 영역에 따라서 가변적일 수 있으며 상황에 따라 전략적으로 결정할 수 있는 요소로 이해해야 한다.

채취된 시료 내 광물의 정량화 단계(S110)가 완료되면 상기 시료의 세슘에 대한 흡착분배계수를 측정하는 단계(S120)를 거친다. 상기 흡착분배계수는 회분식 흡착실험을 통하여 수득될 수 있다. 흡착 대상인 세슘의 농도는 대략 수~수십 ppb 정도의 저농도 일 수 있다. 즉 본 발명의 예측 방법은 저농도 환경의 세슘 흡착 성능을 예측하는 데 활용될 수 있다.

상기 회분식 흡착 실험을 통하여 얻어진 정확한 분배계수는 개별 광물의 함량으로 나누어줌으로써, 광물 함량과 분배계수의 경향성을 파악할 수 있다. 이를 통하여 개별 성분의 실제적 흡착 성능을 동일하게 전제하고 흡착분배계수에 기여하는 개별광물성분들의 양적 기여율을 평가한다(S130).

양적 기여율의 평가(S130)가 완료되면 개별 광물성분들의 실제(이론)적인 세슘 흡착성능을 평가한다. 이러한 평가 자료는 이미 공지된 자료로부터 입수하여 활용할 수도 있다. 상기 개별 광물성분들의 실제적 흡착분배계수는 동일한 양을 전제로 하여 시료의 흡착분배계수에 기여하는 실제기여율로 평가(S140)될 수 있다.

전술한 바와 같이 일라이트 시료의 양적 구성비, 양적기여율, 실제기여율 등의 정보를 확보하고, 개별 광물들의 함량과 시료 전체의 세슘 흡착분배계수와의 상관관계를 도출함으로써(S150) 일라이트의 세슘 흡착성능 예측 시스템을 구축할 수 있다. 상기 상관관계의 예는 후술하도록 한다.

이러한 상관관계에 대한 정보가 구축되면, 향후 일라이트 광상에서 채취한 다른 일라이트 점토 시료에 대하여 개별광물 성분들의 구성비만을 정량화함으로써 해당 시료의 세슘 흡착성능을 예측(S160)할 수 있다. 개별광물의 함량은 수 십분 내에 확인될 수 있으므로 본 예측방법을 사용할 경우 일라이트의 품위를 신속하게 감정할 수 있다.

또한, 채취된 일라이트 시료의 XRD 분석 도구 및 전술한 상관관계 등의 정보를 포함하는 장비를 개발한다면, 일라이트 채취 현장에서 바로 흡착성능이 우수한 일라이트 시료의 즉각적 선별이 가능해 진다.

이하에서는 전술한 상관관계를 도출하기 위한 방법론을 보다 자세하게 설명하도록 한다. 그러나 이하의 서술들은 방법론의 예시일 뿐 본 발명의 기술사상을 제한하지 않는다.

1. 시료

세계 최대 일라이트 산지인 충북 영동 지역에서 일라이트 시료를 채취하였다.

영동 일라이트 시료는 크게 석영(Quartz), 장석(Albite), 일라이트(Illite), 세리사이트(Sericite ≒ Muscovite)로 구성되어 있다(도 2 참조). 이 중 일라이트와 세리사이트는 피크의 위치가 거의 동일하여 구분이 어려운 측면이 있다. XRD 반정량법(RIR Method)를 사용한 영동 일라이트의 광물 조성비를 보면, 지역에 따라 광물의 함량이 다르게 나타난다(표 1). 이러한 광물 함량의 차이는 방사성 세슘의 흡착에 영향을 줄 수 있으며, 실제 130 ppb의 저농도 세슘을 사용한 회분식 흡착 실험 결과를 보면 분배계수(K_d)가 시료에 따라 500 - 4000 ml/g의 값의 범위를 나타내는 것을 확인할 수 있다(표 2).

긴급한 상황에서 영동 일라이트를 세슘 흡착제로 활용하기 위해서는 사용하는 시료의 기대 흡착능을 신속하게 예측할 수 있어야 한다. 회분식 흡착 실험의 경우 실질적인 흡착량을 확실하게 알 수 있는 장점이 있는 반면, 실험 및 분석에 많은 시간이 소요되는 단점이 있어 신속한 품위 규명에 활용하기에는 제한이 따른다. XRD 분석의 경우 시료 한 개당 30 분 안쪽으로 분석할 수 있는 장점이 있어서 다양한 지역의 시료를 대상으로 신속하게 품위를 비교할 수 있다. 본 연구의 목적은 영동 지역 일라이트 시료에 대한 XRD 분석 결과와 흡착 실험 결과를 비교 분석하여, XRD 분석을 이용하여 기대 흡착 효율을 파악하는 방법을 개발하는 데에 있다.

2. 광물의 정량화

흡착 기대식을 구하는 과정은 크게 조성 광물 정량화와 분배계수 계산으로 나뉜다. 피크의 강도(Intensity)를 이용하는 반정량법의 경우 광물의 결정성 등에 의하여 영향을 받기 때문에 정확한 양을 알기는 어려운 단점이 있다. 따라서 먼저 조성 광물을 정량화하는 것이 표준 방법을 만들기 위해 필요하다.

영동 일라이트 시료는 석영, 장석, 일라이트(세리사이트)로 구성되어 있다. 따라서 외국에서 구입한 광물 순도가 높은 석영, 장석, 세리사이트를 각각 다른 질량비로 혼합하여 표준 물질을 제조하였다(표 3). 일라이트(세리사이트)의 경우, 세리사이트가 상대적으로 결정성이 좋고 피크가 뚜렷하여 정량 구분에 용이한 측면이 있어서 세리사이트 참고 시료를 사용하였다.

표준 시료 5개를 사용하여 XRD로 측정하고 동정하여 광물이 서로 겹치지 않는 피크를 각 광물 별로 1개씩 설정하였다(표 4). 일라이트(세리사이트)는 19.84°, 장석은 21.99°, 석영은 39.43°의 피크에서 각각 다른 광물의 간섭을 받지 않는 단일 피크를 확인할 수 있었다. 이 피크는 조성 광물이 석영, 장석, 일라이트, 세리사이트인 경우에 한하여 사용할 수 있으며, 다른 광물이 혼재할 경우 간섭 효과를 받을 수 있다.

다음으로 각 표준물질의 광물 함량과 각 피크의 면적(Area) 값을 그래프로 도시한 결과 우수한 선형성과 관계식을 얻을 수 있었다(도 3 참조). 피크의 높이(Height)는 광물의 결정성에 영향을 받고 이는 같은 광물 내에서도 큰 차이를 보일 수 있으므로, 상대적으로 그러한 영향이 적게 나타나는 면적 값이 활용하기 적합하다.

위에서 구한 각 광물의 관계식에 영동 일라이트 시료의 측정 결과를 대입하여 표 5 와 같은 결과를 얻었다. 이러한 광물의 함량을 각 샘플마다 모두 더하여주면 표 6의 결과를 얻을 수 있으며, 이를 100 %를 기준으로 환산하여 표 7의 결과를 얻었다. 이를 통하여 구해진 결과는 석영, 장석, 일라이트(세리사이트)에 대하여 정량적 분석이라 볼 수 있으며 반정량법으로 구한 결과와 비교해 보았을 때 어느 정도의 타당성을 확인할 수 있다(도 4 참조).

석영, 장석, 일라이트(세리사이트)를 정량적으로 구분한 후에, 일라이트와 세리사이트를 구분하기 위해서 일라이트, 세리사이트를 일정 질량비로 혼합한 표준시료를 제조하였다(표 8). 일라이트와 세리사이트는 피크의 위치가 거의 동일하여 구분할 수 없으므로 앞서 수행한 방법으로 정량화하기에는 어려운 측면이 있다. 하지만 세리사이트가 일라이트보다 결정성이 좋은 성질을 이용하여 반치폭(FWHM)으로 상대적인 함량비는 도출할 수 있다. 일라이트-세리사이트 표준시료를 사용하여 XRD 분석으로10 ㅕ의 FWHM을 구하고 이를 표준시료의 회분식 흡착 실험 결과와 도시한 결과, 우수한 선형성과 관계식을 얻을 수 있었다(도 5 참조).

관계식을 활용하여 영동 일라이트 시료의 피크를 분석해 본 결과 표 9와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 여기서 음의 값과 100이 넘어가는 값은 표준시료로 활용한 일라이트, 세리사이트와 영동 지역의 일라이트, 세리사이트의 결정성의 차이 때문으로 사료되며, 이러한 값은 각각 일라이트만 있거나, 세리사이트만 있는 경우로 판단하여 100, 0으로 바꿔주었다.

해당 함량비(%)를 앞서 구한 일라이트(세리사이트) 정량 함량에 곱하여 세리사이트, 일라이트를 정량적으로 분류하였다(표 10).

3. 분배계수 계산 및 비교

영동 지역 일라이트에서 각 광물이 분배계수에 어느 정도 영향을 미치는지 판단하기 위해서 분배 계수를 각 광물의 함량으로 나누어주었다(표 11). 이는 각 광물의 함량과 분배계수가 어떠한 경향성을 나타내는지를 보고, 그 관계성을 경험식의 형태로 구하기 위함이다. 분배계수를 나누어준 값의 평균과 표준편차를 계산하여 이상 값(Outlier)을 제거한 후에 광물의 함량과 분배계수를 도식화하였다(도 6 및 7 참조). 그림을 보면 이상 값을 제거하기 전 후의 경향성 변화를 알 수 있으며, 각각 광물의 관계식을 경험식으로 활용한다.

이를 통해서 만들어낸 경험식은 표 12에 나타내었다. 하지만 이 값은 각 광물 사이의 분배계수 차이를 고려하지 않은 형태이다. 따라서 각 광물의 분배계수 기여도에 가중치를 주기 위하여 1993년에 Cornell이 발표한 리뷰 페이퍼를 참고로 하여 가중치를 산정하였다(표 13). 가중치와 식을 참고로 하여 영동 일라이트의 기대 흡착능 산정 식을 아래와 같이 만들었다. 해당 식은 영동 지역 시료에 대한 경험식(A,B,C,D)을 바탕으로 만들어졌으며, 다른 지역에 적용할 경우 다른 방법으로 접근이 필요하다.

위 수학식 1을 활용하여 구한 분배계수와 실험을 통해 구해진 분배계수를 비교한 결과는 표 14와 도 7에 도시하였다. 도 7을 참조하면 경향성을 크게 벗어난 한 시료(이상값)로 인하여 피팅이 안좋아지는 것을 확인할 수 있으며, 이를 제외한 결과를 보면 우수한 흡착 예상 능력을 보여준다. 이상값의 경우 예상 값보다 실제 값이 높은 것으로, 실제 활용 시에는 흡착능이 기대 이하인 경우가 큰 문제이며 기대 이상인 경우는 큰 문제가 되지 않으므로 괜찮은 것으로 사료된다.

이상에서는 본 발명의 방법론을 채용하여, 일라이트 광상에서 채취한 광물 및 방사능 원소로서 세슘에 대한 흡착 성능을 예측하는 방법을 설명하였다. 그러나 본 발명의 방법은 제올라이트 광상 또는 벤토나이트 광상 등 채취한 광물의 종류에 제한되지 않고 적용될 수 있는 기술사상으로 이해될 수 있다. 또한 흡착 메커니즘이 적용될 수 있는 스트론튬 등 세슘 이외의 방사능 원소에 대해서도 본 발명의 방법을 적용할 경우 용이하게 흡착성능을 예측 및 평가할 수 있다.

Claims (10)

1. 광물 광상으로부터 채취한 복수의 광물 시료들을 분석하여 시료 내 광물성분들의 구성비를 정량화하는 단계;
   상기 채취한 시료들의 방사능 원소에 대한 흡착분배계수를 측정하는 단계;
   세슘 흡착분배계수에 대한 상기 광물성분들의 양적 기여율을 평가하는 단계; 및
   상기 개별 광물성분들의 실제 방사능원소에 대한 흡착분배계수를 평가하여, 상기 개별 광물 성분들이 상기 시료의 흡착분배계수에 실제로 기여하는 실제 기여율을 도출하는 단계로부터,
   시료 내 광물성분들의 구성비와 시료의 흡착분배계수와의 상관관계를 도출하고 상기 상관관계에 의하여 상기 광물 광상으로부터 채취한 다른 광물 시료의 개별 광물성분들의 구성비만을 측정함으로써 상기 다른 광물 시료의 방사능원소에 대한 흡착 성능을 예측하는,
   광물 시료의 방사능원소에 대한 흡착성능 예측방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 광물은 제올라이트 또는 벤토나이트인 것을 특징으로 하는 광물 시료의 방사능원소에 대한 흡착성능 예측방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 방사능 원소는, 세슘 및 스트론튬으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소인 것을 특징으로 하는 광물 시료의 방사능원소에 대한 흡착성능 예측방법.
   
4. 일라이트 광상으로부터 채취한 복수의 일라이트 점토 시료들을 분석하여 시료 내 광물성분들의 구성비를 정량화하는 단계;
   상기 채취한 시료들의 세슘에 대한 흡착분배계수를 측정하는 단계;
   세슘 흡착분배계수에 대한 상기 광물성분들의 양적 기여율을 평가하는 단계; 및
   상기 개별 광물성분들의 실제 세슘에 대한 흡착분배계수를 평가하여, 상기 개별 광물성분들이 상기 시료의 흡착분배계수에 실제로 기여하는 실제 기여율을 도출하는 단계로부터,
   시료 내 광물성분들의 구성비와 시료의 흡착분배계수와의 상관관계를 도출하고 상기 상관관계에 의하여 상기 일라이트 광상으로부터 채취한 다른 일라이트 점토 시료의 개별 광물성분들의 구성비만을 측정함으로써 상기 다른 일라이트 점토 시료의 세슘에 대한 흡착 성능을 예측하는,
   일라이트 점토 시료의 세슘에 대한 흡착성능 예측방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 시료의 분석은 XRD 분석을 포함하는 것을 특징으로 하는 일라이트 점토 시료의 세슘에 대한 흡착성능 예측방법.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 개별 광물성분들은 5종 이하인 것을 특징으로 하는 일라이트 점토 시료의 세슘에 대한 흡착성능 예측방법.
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 개별 광물성분은 각각 일라이트, 석영, 세리사이트 및 장석인 것을 특징으로 하는 일라이트 점토 시료의 세슘에 대한 흡착성능 예측방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 일라이트와 세리사이트에 대하여는 XRD 분석 및 FWHM 분석을 통하여 서로의 구성비를 정량화하는 것을 특징으로 하는 일라이트 점토 시료의 세슘에 대한 흡착성능 예측방법.
9. 삭제
10. 제4항에 있어서,
    상기 시료의 세슘에 대한 흡착분배계수는 회분식 흡착실험을 통하여 측정되는 것을 특징으로 하는 일라이트 점토 시료의 세슘에 대한 흡착성능 예측방법.
    
    
    
    
    

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